JPS5830940B2 - 熱膨張調整材料とその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱膨張係数の異なる二種の金属材料を組合わせ
てなる熱膨張調整材料とその製造方法に関するものであ
る。

従来、例えば、半導体素子のシリコンウェハーと銅リー
ドとを接合する場合は、一般に使用されている半田ある
いはロウで直接接合すると、両者の熱膨張係数の差に起
因して発生する熱応力によりシリコンウェハーが破壊す
ることがある。

このため、このように取り扱いを慎重にする必要のある
部材の接合に際しては、熱膨張係数が両者の中間もしく
はシリコンにほぼ等しく、熱および電気伝導性が良好で
、しかも延性のある金属材料を中間に配置して接合が行
なわれている。

一般に、このような性質を満足する金属材料には、モリ
ブデン、タングステンを成形したものなどがあるが、モ
リブデン、タングステンには資源的に僅少でしかも局在
しているため非常に高価であり、したがってかかる金属
材料を使用して組立てられる半導体素子は非常に高価な
ものとなる。

一方、熱膨張係数は他の物性値と同様に物質固有のもの
であるため、それだけ独立して変化させることは不可能
である。

しかし、複合材料とすれば、構成材料の材質、量比、幾
何学的構成などを選択することによって、他の物性値と
調和させながら所望の熱膨張係数をもつ材料を得ること
ができる。

このような観点から、先に出願人は銅（Ｃｕ）粉末とア
ンバー合金として知られている鉄（Ｆｅ）−３６重量φ
ニッケル（Ｎｉ）合金粉末とを粉末冶金法により混合一
体化して成形した複合材料を所望の熱膨張係数を持ちう
る熱膨張調整材料として提案した。

この複合材料において、Ｃｕは高導電性を、アンバーは
低熱膨張機能を担っているが、Ｃｕ粉末の混合状態によ
っては、Ｃｕ粉末が離散し熱伝導性が阻害される場合が
あり、特１／ＣＣｕ粉末の混合比が少い場合には往々に
してこのような傾向になり易いことがわかった。

また、熱膨張係数と熱伝導率の最適な組合せ、すなわち
、前者は出来ろ限り低く、後者は出来る限り大きい組合
せが望まれろが、提案した複合材料は熱膨張係数に対し
て熱伝導率がやや低い水準にあり、さらに熱伝導率の増
加とともに熱膨張係数も増加する傾向にあるため、その
改善が必要となっていた。

本発明は、これらの問題を除去し、熱伝導性に優れ、か
つ熱膨張係数の小さい熱膨張調整材料を提供することを
目的とし、均一に混在する表面にＣｕが被覆されている
Ｆｅ−Ｎｉ合金粉末とＣｕ粉末とが互に加熱拡散層によ
って金属学的に結合していることを第１の特徴とし、表
面にＣｕを被着させたＦｅ −Ｎｉ 合金粉末とＣｕ粉
末とを均一に混合スる工程と、この工程で得られた混合
物を圧粉成形及び焼結する工程を有することを第２の特
徴とするものである。

既提案においては、構成素材としてＦｅ −Ｎｉ合金粉
末とＣｕ粉末を用いたが、本発明においては、予め表向
にＣｕ被覆層を有するＦｅ−Ｎｉ合金粉末とＣｕ粉末と
を粉末冶金法により成形体としているため、いかなる混
合状態においても、十分緻密な成形体にすれば、Ｃｕ粉
末は離散することなく 、Ｆｅ−Ｎｉ 合金粉末表面に
被覆されているＣｕ層を介して必らず連結し、その結果
、成形体全体にわたりＣｕのネットワークが形成され、
熱伝導性あるいは電気伝導性が向上する。

また、Ｆ ｅ −Ｎ ｉ合金粉末とＣｕ粉末との接着も
ＦｅＮｉ合金の表面に存在するＣｕ層とＣｕ粉末との焼
結によるため非常に強固になる。

以下実施例について説明する。

本発明の熱膨張調整材料を製造するには、まずＣｕ被覆
層を有するＦｅ−Ｎｉ合金粉末を製造するが、Ｃｕ層の
被覆は、めっき法、蒸着法等によって行われる第１図は
このようにして製造されたＣｕ被覆Ｆｅ−３６重量％Ｎ
ｉ合金粉末の断面組織を示すもので、１，２がそれぞれ
、Ｆｅ−３６重量％Ｎｉ合金粉末、Ｃｕ被覆層である、
このように予め表向にＣｕ被覆層を有するＦｅ−Ｎｉ合
金粉末にＣｕ粉末を混合し、圧粉成形した後、所定の条
件で焼結、圧延、焼鈍して所望の熱膨張調整材料が製造
される。

第２図はＣｕ被覆Ｆｅ−Ｎｉ 合金粉末に対するＣｕ粉
末の混合割合を変えて製造された熱膨張調整材料の線膨
張係数を示し、第３図は同じく電気伝導度を示すもので
、各図の横軸には銅混合量（重量係）、縦軸には第２図
では線膨張係数（室温〜２ｏＯ℃）（ＸＩＯ→ ）、第
３図テハ電気伝導度（％ＩＡＣ８）がとっである。

第２図及び第３図において、Ａ、Ｃが本発明のＣｕ被覆
Ｆｅ３６重量％Ｎｉ合金粉末を用いた場合、Ｂ、Ｄが従
来のＦｅ−Ｎｉ 合金粉末を用いた場合を示している。

これらの図は、本発明の熱膨張調整材料が従来のものに
比べ、熱膨張係数が小さく、電気伝導度が優れているこ
とを示している。

さらに、第２図はＣｕ量が３０〜５０重量φの範囲では
熱膨張係数の曲線に凹部が生じ、この範囲では、熱膨張
係数が比較的低い水準で、かつ高い電気伝導度とするこ
とができることをホしている。

第４図および第５図は、Ｃｕ被覆Ｆｅ−Ｎｉ 合金粉末
を使用した場合の成形体の焼結温度、焼結時間が電気伝
導度、及び抗折力に及ぼす影響を示したもので、第４図
の横軸、縦軸には、それぞれ焼結湿度（℃）、電気伝導
度（％ＩＡＣ８）がとってあり、第５図の横軸、縦軸に
は、それぞれ７００℃におけろ焼結時間（ｍｉ ｎ ）
、電気伝導度（％ＩＡＣ８）および抗折力（ｋｇ／ｃ１
１１）がトラてあり、Ｅ、Ｆがそれぞれ電気伝導度、抗
折力を示している。

これらの図は、焼結湿度が上がるにつれ、また焼結時間
が長くなるにつれて電気伝導度が低下することをホして
いる。

これは、焼結の進行につれてＦｅ−Ｎｉ合金粉末中のＮ
ｉがＣｕ粉末内に拡散することによるものである。

従って、焼結時間は出来るだけ短かく、また、焼結温度
は出来るだけ低いことが望ましいが、あまり短い焼結時
間、またはあまりにも低い焼結混ｉでは十分な強度をも
つ焼結体を得ることのできないこともこの図から明らか
である。

これらの結果は、焼結体が適正な電気伝導度と強度を得
るためには焼結温度が６５０〜８００°Ｇで加熱時間が
３０分以内が望ましいことを示しており、この焼結温度
および加熱時間は焼結時のみならず、焼結後の圧延等の
再加工の際の焼鈍の際にも適用されろ。

なお、前述の実施例は低膨張材料として、Ｆｅ−Ｎｉ合
金を用いた例について説明したが、Ｆｅ２９重量％Ｎｉ
−１７，５重量％Ｃｏ合金（コバール）などのように、
Ｆｅ−Ｎｉに第３元素が添加された合金を用いることも
できる。

このようにして製造された実施例の低膨張調整材料は、
高い電気伝導度、即ち熱伝導率を有し、同時により小さ
い熱膨張係数の達成を可能とし、圧粉性並びに焼結後の
圧延等の加工性も長石である。

以上の如く、本発明の熱膨張調整材料とその製造方法は
熱伝導性に優れ、かつ熱膨張係数の小さい熱膨張調整材
料を提供するもので、産業的効果の大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で使用される表面にＣｕの被覆されたＦ
ｅ−Ｎｉ 合金粉末の断面組織を示す顕微鏡写真、第２
図および第３図は、それぞれ本発明の熱膨張調整材料の
Ｃｕ混合量と線膨張係数および電気伝導度との関係を従
来の場合と比較して示した線図、第４図は同じく焼結温
度と電気伝導度との関係を示す線図、第５図は同じく焼
結時間と電気伝導度および抗折力との関係を示す線図で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 均一に混在する表面に銅が被覆されている鉄ニツケ
   ル合金粉末と銅粉末とが互いに加熱拡散層によって金属
   学的に結合していることを特徴とする熱膨張調整材料。 ２ 前記鉄−ニッケル合金が６４重量多鉄−３６重量φ
   ニッケルよりなり、前記鋼が３０〜６０重量俤含まれて
   いる特許請求の範囲第１項記載の熱膨張調整材料。 ３ 表面に銅を被着させた鉄−ニッケル合金粉末と銅粉
   末とを均一に混合する工程と、該工程で得られた混合物
   を圧粉成形及び焼結する工程を有することを特徴とする
   熱膨張調整材料の製造方法。 ４ 前記焼結工程後、圧延、引抜きあるいは圧縮等の再
   加工工程を施す特許請求の範囲第３項記載の熱膨張調整
   材料の製造方法。 ５ 前記焼結工程における焼結温度が６５０°〜８００
   ℃で、加熱時間が３０分以内である特許請求の範囲第３
   項記載の熱膨張調整材料の製造方法。 ６ 前記焼結工程及び焼結後回加工する際の中間焼鈍温
   度が６５０℃〜８００℃で、加熱時間が３０分以内であ
   る特許請求の範囲第４項記載の熱膨張調整材料の製造方
   法。